§E15.14境界値空間 H^{1/2}

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境界値問題を一次 Sobolev 空間H1(Ω)H^1(\Omega)で扱うには、境界に指定した関数が内部のH1H^1関数の境界値となる条件を明らかにする必要がある。境界上で二乗可積分であるだけでは十分ではなく、たとえば円周上で正の次数kkの Fourier 係数が1/k1/k、それ以外の係数が零である関数は、円板上のH1H^1関数の境界値にはならない。有界 Lipschitz 開集合では、境界値に必要な正則性を半次数の Sobolev 空間H1/2(∂Ω)H^{1/2}(\partial\Omega)が正確に表す。この空間は非斉次の境界値を指定するための基本的な関数空間であり、その反双対を用いて弱い法線流束を定式化することができる。本記事では、半次数の境界 Sobolev 空間の基本的な性質と境界値問題における役割を解説する。

1 境界の差分ノルム

定義 1.1.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とし、σ\sigmaを境界測度とする。n≥2n\geq2のとき、g∈L2(∂Ω,σ)g\in L^2(\partial\Omega,\sigma)に対して

[g]1/2,∂Ω2=∬∂Ω×∂Ω∣g(x)−g(y)∣2∣x−y∣n dσ(x) dσ(y),∥g∥H1/2(∂Ω)2=∥g∥L2(∂Ω)2+[g]1/2,∂Ω2[g]_{1/2,\partial\Omega}^2 =\iint_{\partial\Omega\times\partial\Omega} \frac{|g(x)-g(y)|^2}{|x-y|^n}\,d\sigma(x)\,d\sigma(y), \qquad \|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2 =\|g\|_{L^2(\partial\Omega)}^2+[g]_{1/2,\partial\Omega}^2

とおく。二重積分の被積分関数は対角集合上で零と定める。このノルムが有限な関数の空間を 半次数の境界 Sobolev 空間 (boundary Sobolev space of order one half) といい、H1/2(∂Ω)H^{1/2}(\partial\Omega)と書く。

n=1n=1のときは、有限個の端点からなる∂Ω\partial\Omega上のすべての複素数値関数の空間をH1/2(∂Ω)H^{1/2}(\partial\Omega)とし、ノルムを

∥g∥H1/2(∂Ω)2=∑a∈∂Ω∣g(a)∣2\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2 =\sum_{a\in\partial\Omega}|g(a)|^2

で定める。

命題 1.2.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とし、aaを∂Ω\partial\Omega上の Euclid 距離に関して Lipschitz 連続な複素数値関数とする。このとき、aaによる乗算はH1/2(∂Ω)H^{1/2}(\partial\Omega)上の有界線形作用素である。Ω\Omegaのみに依存する定数CΩC_\Omegaが存在して、すべてのg∈H1/2(∂Ω)g\in H^{1/2}(\partial\Omega)に対して

∥ag∥H1/2(∂Ω)≤CΩ(∥a∥∞+Lip⁡(a))∥g∥H1/2(∂Ω)\|ag\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)} \leq C_\Omega\bigl(\|a\|_\infty+\operatorname{Lip}(a)\bigr) \|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}

が成り立つ。

証明.n=1n=1では各端点における∣ag∣≤∥a∥∞∣g∣|a g|\leq\|a\|_\infty|g|を二乗して加えればよい。n≥2n\geq2とし、Γ=∂Ω\Gamma=\partial\Omegaとおく。Γ=∅\Gamma=\varnothingならば主張は成り立つので、Γ≠∅\Gamma\ne\varnothingとする。

有限個のグラフ表示に§E15.12 補題 1.1を適用する。各グラフ上でdσ≤C dx′d\sigma\leq C\,dx'であり、球B(y,r)B(y,r)の座標超平面への射影は半径rrの球に含まれる。したがって、すべてのy∈Γy\in\Gammaとr>0r>0について

σ(Γ∩B(y,r))≤CΩrn−1\sigma(\Gamma\cap B(y,r))\leq C_\Omega r^{n-1}

である。D>diam⁡ΓD>\operatorname{diam}\Gammaとして、0<∣x−y∣<D0<|x-y|<Dを環状領域2−j−1D≤∣x−y∣<2−jD2^{-j-1}D\leq|x-y|<2^{-j}D(j≥0j\geq0)に分けると、

sup⁡y∈Γ∫Γ∣x−y∣2−n dσ(x)≤CΩ∑j=0∞2−jD<∞\sup_{y\in\Gamma}\int_\Gamma|x-y|^{2-n}\,d\sigma(x) \leq C_\Omega\sum_{j=0}^\infty 2^{-j}D<\infty

を得る。

等式

a(x)g(x)−a(y)g(y)=a(x)(g(x)−g(y))+(a(x)−a(y))g(y)a(x)g(x)-a(y)g(y) =a(x)(g(x)-g(y))+(a(x)-a(y))g(y)

の右辺を二項に分けて二乗を評価すると、

[ag]1/2,Γ2≤2∥a∥∞2[g]1/2,Γ2+2Lip⁡(a)2∫Γ∣g(y)∣2(∫Γ∣x−y∣2−n dσ(x))dσ(y).[ag]_{1/2,\Gamma}^2 \leq2\|a\|_\infty^2[g]_{1/2,\Gamma}^2 +2\operatorname{Lip}(a)^2 \int_\Gamma |g(y)|^2\left(\int_\Gamma|x-y|^{2-n}\,d\sigma(x)\right)d\sigma(y).

この評価に∥ag∥2≤∥a∥∞∥g∥2\|ag\|_2\leq\|a\|_\infty\|g\|_2を合わせれば、所要の不等式を得る。▨

注意 1.3.命題 1.2の Lipschitz 連続性の仮定を、係数の有界性に置き換えることはできない。D={x∈R2:∣x∣<1}D=\{x\in\R^2:|x|<1\}とし、∂D\partial D上の関数aaを、0<θ<π0<\theta<\piでa(eiθ)=1a(e^{i\theta})=1、π≤θ≤2π\pi\leq\theta\leq2\piでa(eiθ)=0a(e^{i\theta})=0と定める。aaは有界であり、定数関数g=1g=1は[g]1/2,∂D=0[g]_{1/2,\partial D}=0を満たすのでH1/2(∂D)H^{1/2}(\partial D)に属する。一方、§E15.12 補題 1.1の局所表示により、∂D\partial Dの境界測度は角度θ\thetaに関する測度dθd\thetaである。∣eiθ−eiφ∣≤∣θ−φ∣|e^{i\theta}-e^{i\varphi}|\leq|\theta-\varphi|であるから、x=eitx=e^{it}(0<t<π/20<t<\pi/2)、y=e−isy=e^{-is}(0<s<π/20<s<\pi/2)の点対だけの寄与をとると

[ag]1/2,∂D2≥∫0π/2∫0π/2ds dt(s+t)2=∫0π/2π/2t(t+π/2) dt≥∫0π/2dt2t=∞[ag]_{1/2,\partial D}^2 \geq\int_0^{\pi/2}\int_0^{\pi/2}\frac{ds\,dt}{(s+t)^2} =\int_0^{\pi/2}\frac{\pi/2}{t(t+\pi/2)}\,dt \geq\int_0^{\pi/2}\frac{dt}{2t} =\infty

である。したがってag=a∉H1/2(∂D)ag=a\notin H^{1/2}(\partial D)であり、有界な係数aaによる乗算はH1/2(∂D)H^{1/2}(\partial D)をH1/2(∂D)H^{1/2}(\partial D)へ移さない。

2 局所座標とトレースの像

定理 2.1.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とする。n≥2n\geq2の場合、境界を覆う有限個のグラフ近傍UjU_jとグラフ表示

γj:Bj⟶∂Ω∩Uj,γj(y′)=(y′,φj(y′))(1≤j≤N)\gamma_j:B_j\longrightarrow\partial\Omega\cap U_j, \qquad \gamma_j(y')=(y',\varphi_j(y')) \quad(1\leq j\leq N)

をとる。各表示では直交座標を選び、Bj⊆Rn−1B_j\subseteq\R^{n-1}は有界開直方体とする。χj∈Cc∞(Uj)\chi_j\in C_c^\infty(U_j)を∑jχj=1\sum_j\chi_j=1が境界上で成り立つようにとり、g∈L2(∂Ω)g\in L^2(\partial\Omega)に対して

hj(y′)=(χjg)(γj(y′))(y′∈Bj),hj(y′)=0(y′∉Bj)h_j(y')=(\chi_jg)(\gamma_j(y'))\quad(y'\in B_j), \qquad h_j(y')=0\quad(y'\notin B_j)

とおく。このとき、g∈H1/2(∂Ω)g\in H^{1/2}(\partial\Omega)であることと、すべてのhjh_jがH1/2(Rn−1)H^{1/2}(\R^{n-1})に属することは同値であり、

∥g∥H1/2(∂Ω)2≍∑j=1N∥hj∥H1/2(Rn−1)2\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}^2 \asymp\sum_{j=1}^N\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^{n-1})}^2

が成り立つ。同値定数は固定した座標と切断関数に依存する。

すべてのn≥1n\geq1について、トレースは有界線形全射

T:H1(Ω)⟶H1/2(∂Ω)T:H^1(\Omega)\longrightarrow H^{1/2}(\partial\Omega)

を定める。さらに、有界線形作用素R:H1/2(∂Ω)→H1(Ω)R:H^{1/2}(\partial\Omega)\to H^1(\Omega)でTR=id⁡TR=\idを満たすものが存在し、ker⁡T=H01(Ω)\ker T=H^1_0(\Omega)である。

証明.n≥2n\geq2とし、Γ=∂Ω\Gamma=\partial\Omega、d=n−1d=n-1とおく。空の境界の場合はすべての境界空間が零空間であるから、以下ではΓ≠∅\Gamma\ne\varnothingとする。有限個のグラフ近傍に§E10.47 定理 2.1を適用すれば、主張の切断関数をとることができる。

fj=χjgf_j=\chi_jgとおく。Kj=supp⁡χj∩ΓK_j=\supp\chi_j\cap\GammaはΓ∩Uj\Gamma\cap U_jのコンパクト部分集合である。したがって、KjK_jとΓ∖Uj\Gamma\setminus U_jの距離、およびγj−1(Kj)\gamma_j^{-1}(K_j)とRd∖Bj\R^d\setminus B_jの距離は、それぞれ正である。空の集合に対応する積分は零として扱う。グラフ上では

∣y′−z′∣≤∣γj(y′)−γj(z′)∣≤1+Lip⁡(φj)2 ∣y′−z′∣,dx′≤dσ≤Cj dx′|y'-z'|\leq|\gamma_j(y')-\gamma_j(z')| \leq\sqrt{1+\operatorname{Lip}(\varphi_j)^2}\,|y'-z'|, \qquad dx'\leq d\sigma\leq C_j\,dx'

が成り立つ。境界測度の比較には§E15.12 補題 1.1を用いた。したがって、L2L^2ノルムと、両方の点が同じ座標近傍にある差分積分は、座標変換によって互いに定数倍で評価される。

差分積分の残りの部分では、一方の点がKjK_jに属し、他方の点がUjU_jの外にある。その寄与は、dist⁡(Kj,Γ∖Uj)>0\operatorname{dist}(K_j,\Gamma\setminus U_j)>0とσ(Γ)<∞\sigma(\Gamma)<\inftyによってCj∥fj∥22C_j\|f_j\|_2^2以下である。座標側の零延長についても、δj=dist⁡(γj−1(Kj),Rd∖Bj)>0\delta_j=\operatorname{dist}(\gamma_j^{-1}(K_j),\R^d\setminus B_j)>0とすれば、

∫Rd∖Bjdz′∣y′−z′∣d+1≤∫∣z∣≥δjdz∣z∣d+1<∞(y′∈γj−1(Kj))\int_{\R^d\setminus B_j}\frac{dz'}{|y'-z'|^{d+1}} \leq\int_{|z|\geq\delta_j}\frac{dz}{|z|^{d+1}}<\infty \quad(y'\in\gamma_j^{-1}(K_j))

である。よって§E15.13 命題 3.1をt=1/2t=1/2に適用すると、

∥hj∥H1/2(Rd)2≍∥fj∥H1/2(Γ)2\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)}^2 \asymp\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2

を得る。この比較は、両辺が無限大となる場合を含めて成立する。

命題 1.2により、∑j∥fj∥H1/2(Γ)2≤C∥g∥H1/2(Γ)2\sum_j\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2\leq C\|g\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2である。逆向きには、g=∑jfjg=\sum_j f_jと Cauchy–Schwarz の不等式をL2L^2項および各差分に適用して

∥g∥H1/2(Γ)2≤N∑j∥fj∥H1/2(Γ)2\|g\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2\leq N\sum_j\|f_j\|_{H^{1/2}(\Gamma)}^2

を得る。以上から局所ノルムとの同値性が従う。

u∈H1(Ω)u\in H^1(\Omega)とし、§E15.9 定理 2.2による全空間への拡張をEuEuとする。各グラフ近傍を

Uj=Φj(Bj×(−bj,bj)),Φj(y′,t)=(y′,φj(y′)+t)U_j=\Phi_j(B_j\times(-b_j,b_j)),\qquad \Phi_j(y',t)=(y',\varphi_j(y')+t)

の形にとり、Ω∩Uj\Omega\cap U_jがt>0t>0に対応するように座標を選ぶ。局所ノルムの同値性は任意の固定した座標系で成立するので、この選択でよい。wj=(χjEu)∘Φjw_j=(\chi_jEu)\circ\Phi_jをBj×(−bj,bj)B_j\times(-b_j,b_j)の外で零に延長する。§E15.9 補題 1.2と積の弱微分公式により、wjw_jはこの筒でH1H^1に属する。wjw_jの台は筒の内部にコンパクトに含まれるので、零延長後もH1(Rn)H^1(\R^n)に属し、

∥wj∥H1(Rn)≤Cj∥u∥H1(Ω)\|w_j\|_{H^1(\R^n)}\leq C_j\|u\|_{H^1(\Omega)}

である。零延長の弱微分は、台の近傍で11となる切断関数を試験関数に掛けることで、筒内の弱微分の零延長と一致する。

§E15.13 定理 6.1をs=1s=1に適用すると、wj(⋅,0)w_j(\cdot,0)のトレースはH1/2(Rd)H^{1/2}(\R^d)に属する。このトレースと鉛直方向の端点値は一致する。実際、滑らかな関数では両者が一致し、全空間での滑らかな近似と、上半筒における§E15.12 定理 2.2の連続性により一致が保存される。§E15.12 定理 2.2のグラフ座標における端点表示から、その値は(χjTu)∘γj(\chi_jTu)\circ\gamma_jである。局所ノルムの同値性によって

∥Tu∥H1/2(Γ)≤C∥u∥H1(Ω)\|Tu\|_{H^{1/2}(\Gamma)}\leq C\|u\|_{H^1(\Omega)}

を得る。

g∈H1/2(Γ)g\in H^{1/2}(\Gamma)に対して、§E15.13 定理 6.1の有界線形右逆をS:H1/2(Rd)→H1(Rn)S:H^{1/2}(\R^d)\to H^1(\R^n)とする。各jjについて、ηj∈Cc∞(Bj×(−bj,bj))\eta_j\in C_c^\infty(B_j\times(-b_j,b_j))を、γj−1(Kj)×{0}\gamma_j^{-1}(K_j)\times\{0\}の近傍で11となるように固定する。hjh_jに

Vj=ηjShjV_j=\eta_j S h_j

を対応させる。VjV_jの超平面トレースはhjh_jであり、∥Vj∥H1(Rn)≤Cj∥hj∥H1/2(Rd)\|V_j\|_{H^1(\R^n)}\leq C_j\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)}である。VjV_jをt>0t>0に制限し、Φj−1\Phi_j^{-1}と合成してΩ∩Uj\Omega\cap U_j上の関数とした後、Ω∖Uj\Omega\setminus U_jで零としたものをRjgR_jgとおく。VjV_jは筒の側面と上面から正の距離を持つ台をもつので、§E15.9 補題 1.2と先ほどの零延長の議論により

Rjg∈H1(Ω),∥Rjg∥H1(Ω)≤Cj∥hj∥H1/2(Rd)R_jg\in H^1(\Omega),\qquad \|R_jg\|_{H^1(\Omega)}\leq C_j\|h_j\|_{H^{1/2}(\R^d)}

である。鉛直方向の端点表示からTRjg=χjgTR_jg=\chi_jgを得る。したがって

Rg=∑j=1NRjgRg=\sum_{j=1}^N R_jg

は有界線形作用素であり、TRg=∑jχjg=gTRg=\sum_j\chi_jg=gを満たす。

n=1n=1では、Ω\Omegaは互いに端点を共有しない有限個の有界開区間(aj,bj)(a_j,b_j)の和である。§E15.12 定理 2.2により端点値への写像は有界である。各区間で

(Rg)(x)=bj−xbj−ajg(aj)+x−ajbj−ajg(bj)(Rg)(x)=\frac{b_j-x}{b_j-a_j}g(a_j) +\frac{x-a_j}{b_j-a_j}g(b_j)

と定めると、TRg=gTRg=gである。関数と導関数の二乗を区間上で積分すれば、

∥Rg∥H1(Ω)2≤∑j(2(bj−aj)+2bj−aj)(∣g(aj)∣2+∣g(bj)∣2)\|Rg\|_{H^1(\Omega)}^2 \leq\sum_j\left(2(b_j-a_j)+\frac{2}{b_j-a_j}\right) \bigl(|g(a_j)|^2+|g(b_j)|^2\bigr)

となり、有界性が従う。すべてのn≥1n\geq1で、§E15.12 定理 3.3によりker⁡T=H01(Ω)\ker T=H^1_0(\Omega)である。▨

3 円周の境界値と調和な持ち上げ

例 3.1.D={x∈R2:∣x∣<1}D=\{x\in\R^2:|x|<1\}とし、g∈L2(∂D)g\in L^2(\partial D)の Fourier 係数を

ck=12π∫02πg(eiθ)e−ikθ dθ(k∈Z)c_k=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(e^{i\theta})e^{-ik\theta}\,d\theta \quad(k\in\Z)

とする。このとき

g∈H1/2(∂D)⟺∑k∈Z(1+∣k∣)∣ck∣2<∞.g\in H^{1/2}(\partial D) \quad\Longleftrightarrow\quad \sum_{k\in\Z}(1+|k|)|c_k|^2<\infty.

実際、θ=2πt\theta=2\pi tとして§E14.17 命題 1.2を適用すると、

∫02π∣g(eiθ)∣2 dθ=2π∑k∈Z∣ck∣2,\int_0^{2\pi}|g(e^{i\theta})|^2\,d\theta =2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2,

および、各h∈Rh\in\Rについて

∫02π∣g(ei(θ+h))−g(eiθ)∣2 dθ=2π∑k∈Z∣ck∣2∣eikh−1∣2\int_0^{2\pi}|g(e^{i(\theta+h)})-g(e^{i\theta})|^2\,d\theta =2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2|e^{ikh}-1|^2

を得る。円周の弦の長さは∣eih−1∣=2∣sin⁡(h/2)∣|e^{ih}-1|=2|\sin(h/2)|であり、∣h∣≤π|h|\leq\piでは2∣h∣/π≤∣eih−1∣≤∣h∣2|h|/\pi\leq|e^{ih}-1|\leq|h|である。したがって、境界差分ノルムは

[g]1/2,∂D2≍2π∑k∈Z∣ck∣2∫−ππ∣eikh−1∣2∣h∣2 dh[g]_{1/2,\partial D}^2 \asymp 2\pi\sum_{k\in\Z}|c_k|^2 \int_{-\pi}^{\pi}\frac{|e^{ikh}-1|^2}{|h|^2}\,dh

と評価される。和と積分の交換は非負関数に対する Tonelli の定理による。k≠0k\ne0について、変数変換q=∣k∣hq=|k|hにより

∫−ππ∣eikh−1∣2∣h∣2 dh=∣k∣∫−∣k∣π∣k∣π∣eiq−1∣2q2 dq≍∣k∣\int_{-\pi}^{\pi}\frac{|e^{ikh}-1|^2}{|h|^2}\,dh =|k|\int_{-|k|\pi}^{|k|\pi}\frac{|e^{iq}-1|^2}{q^2}\,dq \asymp |k|

である。最後の積分は、[−1,1][-1,1]上の正の積分で下から評価され、∣eiq−1∣≤min⁡{∣q∣,2}|e^{iq}-1|\leq\min\{|q|,2\}によって全実数上の有限な積分で上から評価される。k=0k=0の項は零であるから、所要の同値性が従う。

ck=1/kc_k=1/k(k≥1k\geq1)、ck=0c_k=0(k≤0k\leq0)とする。§E14.17 命題 1.2により、これらを係数にもつL2(∂D)L^2(\partial D)の関数が存在する。しかし∑k≥1k∣ck∣2=∑k≥11/k=∞\sum_{k\geq1}k|c_k|^2=\sum_{k\geq1}1/k=\inftyであるから、g∉H1/2(∂D)g\notin H^{1/2}(\partial D)である。定理 2.1により、このggはH1(D)H^1(D)の関数のトレースではない。

例 3.2.D={x∈R2:∣x∣<1}D=\{x\in\R^2:|x|<1\}、k∈Zk\in\Zとする。このとき、境界値eikθe^{ik\theta}の調和な持ち上げは

uk(r,θ)=r∣k∣eikθu_k(r,\theta)=r^{|k|}e^{ik\theta}

で与えられる。実際、k>0k>0ではuk(x)=(x1+ix2)ku_k(x)= (x_1+ix_2)^k、k<0k<0ではuk(x)=(x1−ix2)∣k∣u_k(x)=(x_1-ix_2)^{|k|}であり、直接微分するとΔuk=0\Delta u_k=0である。k=0k=0ではu0=1u_0=1である。いずれも閉円板上で滑らかであり、指定したトレースをもつ。

k≠0k\ne0についてm=∣k∣m=|k|とおくと、

∫D∣∇uk∣2 dx=∫02π∫01(∣∂ruk∣2+r−2∣∂θuk∣2)r dr dθ=2π∫012m2r2m−1 dr=2π∣k∣.\begin{aligned} \int_D|\nabla u_k|^2\,dx &=\int_0^{2\pi}\int_0^1 \left(|\partial_r u_k|^2+r^{-2}|\partial_\theta u_k|^2\right)r\,dr\,d\theta\\ &=2\pi\int_0^1 2m^2r^{2m-1}\,dr =2\pi |k|. \end{aligned}

k=0k=0の勾配エネルギーは零である。また、すべてのk∈Zk\in\Zについて

∫D∣uk∣2 dx=π∣k∣+1.\int_D|u_k|^2\,dx=\frac{\pi}{|k|+1}.

4 弱い法線流束

定義 4.1.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とする。H1/2(∂Ω)H^{1/2}(\partial\Omega)上の連続な反線形汎関数の空間を 負の半次数の境界 Sobolev 空間 (boundary Sobolev space of order minus one half) といい、H−1/2(∂Ω)H^{-1/2}(\partial\Omega)と書く。λ∈H−1/2(∂Ω)\lambda\in H^{-1/2}(\partial\Omega)とg∈H1/2(∂Ω)g\in H^{1/2}(\partial\Omega)に対して

⟨λ,g⟩=λ(g),∥λ∥H−1/2=sup⁡∥g∥H1/2≤1∣⟨λ,g⟩∣\langle\lambda,g\rangle=\lambda(g),\qquad \|\lambda\|_{H^{-1/2}}=\sup_{\|g\|_{H^{1/2}}\leq1}|\langle\lambda,g\rangle|

と定める。対合はλ\lambdaについて線形、ggについて反線形である。q∈L2(∂Ω)q\in L^2(\partial\Omega)は、⟨q,g⟩=∫∂Ωqg‾ dσ\langle q,g\rangle=\int_{\partial\Omega}q\overline g\,d\sigmaによってこの反双対の元を定める。

超関数は試験関数の共役を入れない複素線形双対とする。F∈L2(Ω;Cn)F\in L^2(\Omega;\C^n)の超関数としての発散を

⟨div⁡F,ϕ⟩=−∫ΩF⋅∇ϕ dx(ϕ∈Cc∞(Ω))\langle\operatorname{div}F,\phi\rangle =-\int_\Omega F\cdot\nabla\phi\,dx \quad(\phi\in C_c^\infty(\Omega))

で定め、

H(div⁡;Ω)={F∈L2(Ω;Cn):div⁡F∈L2(Ω)},∥F∥H(div⁡)2=∥F∥22+∥div⁡F∥22H(\operatorname{div};\Omega) =\{F\in L^2(\Omega;\C^n):\operatorname{div}F\in L^2(\Omega)\}, \qquad \|F\|_{H(\operatorname{div})}^2 =\|F\|_2^2+\|\operatorname{div}F\|_2^2

とおき、H(div⁡;Ω)H(\operatorname{div};\Omega)を H(div⁡)H(\operatorname{div})空間 (H(div) space) という。

定理 4.2.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とし、R:H1/2(∂Ω)→H1(Ω)R:H^{1/2}(\partial\Omega)\to H^1(\Omega)をトレースの有界線形右逆とする。F∈H(div⁡;Ω)F\in H(\operatorname{div};\Omega)とする。このとき、

⟨γνF,g⟩=∫Ω(F⋅∇Rg‾+div⁡F Rg‾)dx(g∈H1/2(∂Ω))\langle\gamma_\nu F,g\rangle =\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla Rg} +\operatorname{div}F\,\overline{Rg}\right)dx \quad(g\in H^{1/2}(\partial\Omega))

と定めると、この値は右逆RRの選択に依存しない。γνF∈H−1/2(∂Ω)\gamma_\nu F\in H^{-1/2}(\partial\Omega)であり、F↦γνFF\mapsto\gamma_\nu Fは有界線形作用素である。このγνF\gamma_\nu FをFFの 弱い法線流束 (weak normal trace) という。

証明.w∈H01(Ω)w\in H^1_0(\Omega)とし、wℓ∈Cc∞(Ω)w_\ell\in C_c^\infty(\Omega)をwℓ→ww_\ell\to wがH1H^1で成り立つようにとる。発散の定義にwℓ‾\overline{w_\ell}を代入して極限をとると、

∫Ω(F⋅∇w‾+div⁡F w‾)dx=0\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla w} +\operatorname{div}F\,\overline w\right)dx=0

を得る。二つの持ち上げR1g,R2gR_1g,R_2gの差は零トレースをもち、定理 2.1によりH01(Ω)H^1_0(\Omega)に属する。したがって、上の等式をw=R1g−R2gw=R_1g-R_2gに適用すれば独立性が従う。

積空間で Cauchy–Schwarz の不等式を用いると、

∣⟨γνF,g⟩∣≤∥F∥H(div⁡)∥Rg∥H1(Ω)≤∥R∥∥F∥H(div⁡)∥g∥H1/2(∂Ω).|\langle\gamma_\nu F,g\rangle| \leq\|F\|_{H(\operatorname{div})}\|Rg\|_{H^1(\Omega)} \leq\|R\|\|F\|_{H(\operatorname{div})}\|g\|_{H^{1/2}(\partial\Omega)}.

定義式の積分はggについて反線形、FFについて線形であるから、この評価によりγν:H(div⁡;Ω)→H−1/2(∂Ω)\gamma_\nu:H(\operatorname{div};\Omega)\to H^{-1/2}(\partial\Omega)は有界線形作用素である。▨

系 4.3.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とする。このとき、すべてのF∈H(div⁡;Ω)F\in H(\operatorname{div};\Omega)とv∈H1(Ω)v\in H^1(\Omega)に対して

∫Ω(F⋅∇v‾+div⁡F v‾)dx=⟨γνF,Tv⟩\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla v} +\operatorname{div}F\,\overline v\right)dx =\langle\gamma_\nu F,Tv\rangle

が成り立つ。FFがΩ‾\overline\Omegaの開近傍でC1C^1級である場合、γνF\gamma_\nu FはF⋅ν∈L2(∂Ω)F\cdot\nu\in L^2(\partial\Omega)が定める反線形汎関数と一致する。

証明.v−RTv∈H01(Ω)v-RTv\in H^1_0(\Omega)であるから、定理 4.2の証明における零積分の等式を適用して

∫Ω(F⋅∇v‾+div⁡F v‾)dx=∫Ω(F⋅∇RTv‾+div⁡F RTv‾)dx=⟨γνF,Tv⟩\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla v} +\operatorname{div}F\,\overline v\right)dx =\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla RTv} +\operatorname{div}F\,\overline{RTv}\right)dx =\langle\gamma_\nu F,Tv\rangle

を得る。

FFがΩ‾\overline\Omegaの開近傍でC1C^1級であるとする。任意のv∈H1(Ω)v\in H^1(\Omega)に対して、§E15.12 命題 3.1にp=2p=2、u=v‾u=\overline v、ψ=Fi\psi=F_iを代入し、i=1,…,ni=1,\ldots,nについて加える。Tv‾=Tv‾T\overline v=\overline{Tv}であるから、

∫Ω(F⋅∇v‾+div⁡F v‾)dx=∫∂Ω(F⋅ν)Tv‾ dσ\int_\Omega\left(F\cdot\overline{\nabla v} +\operatorname{div}F\,\overline v\right)dx =\int_{\partial\Omega}(F\cdot\nu)\overline{Tv}\,d\sigma

を得る。TTの全射性から、γνF\gamma_\nu FとF⋅νF\cdot\nuがすべての境界データに対して一致する。▨

系 4.4.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とし、u∈H1(Ω)u\in H^1(\Omega)の超関数としての Laplace 作用素Δu\Delta uがL2(Ω)L^2(\Omega)に属するとする。このとき

∂νu:=γν(∇u)∈H−1/2(∂Ω)\partial_\nu u:=\gamma_\nu(\nabla u)\in H^{-1/2}(\partial\Omega)

が定まり、すべてのv∈H1(Ω)v\in H^1(\Omega)に対して

∫Ω∇u⋅∇v‾ dx+∫ΩΔu v‾ dx=⟨∂νu,Tv⟩\int_\Omega\nabla u\cdot\overline{\nabla v}\,dx +\int_\Omega\Delta u\,\overline v\,dx =\langle\partial_\nu u,Tv\rangle

が成り立つ。

証明.∇u∈L2(Ω;Cn)\nabla u\in L^2(\Omega;\C^n)かつdiv⁡(∇u)=Δu∈L2(Ω)\operatorname{div}(\nabla u)=\Delta u\in L^2(\Omega)であるから、定理 4.2と系 4.3をF=∇uF=\nabla uに適用する。▨

注意 4.5.Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを有界 Lipschitz 開集合とする。u∈H1(Ω)u\in H^1(\Omega)のみを仮定した場合、Δu\Delta uはH01(Ω)H^1_0(\Omega)上に

⟨Δu,w⟩=−∫Ω∇u⋅∇w‾ dx\langle\Delta u,w\rangle=-\int_\Omega\nabla u\cdot\overline{\nabla w}\,dx

という連続な反線形汎関数を定めるが、Δu∈L2(Ω)\Delta u\in L^2(\Omega)とは限らない。したがって、Δu∈H−1(Ω)\Delta u\in H^{-1}(\Omega)という条件だけでは、系 4.4におけるH(div⁡;Ω)H(\operatorname{div};\Omega)の法線流束の構成を適用することはできない。

実際、Ω=(−1,1)\Omega=(-1,1)、u(x)=∣x∣u(x)=|x|とする。§E15.2 例 2.2により、R\R上の超関数として∣x∣′=sgn⁡x|x|'=\operatorname{sgn}x、∣x∣′′=2δ0|x|''=2\delta_0が成り立つ。これらの等式を(−1,1)(-1,1)上の試験関数に制限すると、u∈H1(−1,1)u\in H^1(-1,1)であり、(−1,1)(-1,1)上の超関数としてΔu=u′′=2δ0\Delta u=u''=2\delta_0である。L2(−1,1)⊆Lloc1(−1,1)L^2(-1,1)\subseteq L^1_{\mathrm{loc}}(-1,1)であり、§E15.1 例 3.2によりδ0\delta_0は局所可積分関数から生じないので、Δu∉L2(−1,1)\Delta u\notin L^2(-1,1)である。

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